基于高频外辐射信号的探测效能评估研究

蒋威 马超 郑园园 曹健

（中国电子科技集团公司第十四研究所 江苏省南京市 210039）

1 引言

高频探测系统工作在高频段约5～30MHz，依靠电离层对高频电磁波的折射和反射效应，对视距外的目标进行探测和跟踪，作用距离可达2000千米以上。

但在现代战争中，地面预警探测系统往往是被优先打击的对象。在海湾战争中，美军“哈姆”等反辐射导弹，摧毁了伊军超过一半的探测系统。最近，在俄乌冲突中，俄罗斯首批使用“KH-31P”等反辐射导弹摧毁了乌克兰大部分探测系统，使乌克兰瞬间丧失了战场监视能力。受高频探测系统的体制限制，系统大多采用大型固定式配置，无法实现灵活机动部署，相对机动式微波探测系统，在战时更易成为敌方的首要打击目标，生存能力严重不足。

在这种强调隐蔽攻击和硬杀伤的趋势下，采用被动方式工作的无源探测以其隐蔽性好、建设成本低、反隐身性能好等特点，逐渐成为有源探测的重要补充。尤其基于外辐射信号的无源探测技术，是利用目标反射非自身辐射信号进行目标探测。这类信号一般是在空中已存在的信号，系统隐蔽性更强，也不受目标静默的影响，这种技术逐渐成为各国争相研究的热点。

高频探测系统如采用基于外辐射的探测技术，能够大幅提高系统的隐蔽性，无源与有源高频探测系统有效互补，提高战时预警探测网络的生存能力。

2 基于外辐射源探测技术的发展

2.1 国外技术发展

根据国外文献记载，早20世纪80年代英国就已利用地面电视作为辐射源进行了探测试验，并探测到民用飞机。美、英、法、德等国相继开展了相关研究，比较突出的代表是美国洛克希德•马丁公司的“沉默的哨兵”系统，英国防御研究局（DERA）的无源探测定位系统，以及德国利用移动电话基站信号的目标探测系统。

2.1.1 “沉默的哨兵”系统

“沉默的哨兵”系统采用无源相干定位技术，利用商用FM无线电台和TV台（50-800MHz）的连续载波，通过获取TDOA和多普勒频移信息来对目标进行探测和定位。该系统的有效作用距离超过200km，多次参加演习，据称与有源跟踪雷达能力相当。

2.1.2 英国防御研究局（DERA）的无源探测定位系统

英国DERA研究的无源探测定位系统采用了与美国“沉默的哨兵”系统不同的定位技术，它利用英BBC的TV信号对空中目标进行定位，采用快速傅里叶变换加卡尔曼滤波器和扩展卡尔曼滤波器技术。

2.1.3 其它国家

还有新加坡、法国、德国等国家也对该技术进行了研究。如德国西门子集团的罗凯•马洛尔研究公司研究了将移动电话基站作为机会照射源照射空中目标。从这些基站发出的信号能被手提箱大小的接收机系统截获，通过计算各个基站发出并返回的信号相位差，对目标进行定位。

2.2 国内技术发展

国内研究非合作无源定位技术的单位较多，如西南电子设备研究所在基于运动平台的外辐射探测技术上开展探索，通过试验取得了较高精度的定位结果。北京理工大学在GSM信号、CDMA移动通信信号建模与分析、弱目标检测等方面进行了大量研究。国防科技大学近年分析了基于GNSS信号，以及基于MIMO平台的无源定位方法。西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室利用基于调频广播的非合作无源探测系统开展了直达波对消、干扰抑制相关等问题研究。

2.3 高频外辐射源探测技术发展

纵观国内外已有研究结果，绝大多数的非合作探测系统都是采用甚高频（VHF，30-300MHz）及以上频段的外辐射源，如电视、广播、移动通信、卫星等信号。基于高频（HF，5-30MHz）辐射源的研究相对较少，这方面研究比较深入的机构是武汉大学电波传播实验室。实验室万显荣团队持续深耕被动雷达领域十余年，系统研究了基于我国数字广播电视信号的被动雷达及其组网技术、成功研制了HF波段被动雷达系统，并开展了长期实验验证，推进了该技术的行业应用。2011年该团队开展了国内首次基于DRM信号的被动雷达研究实验，证实了基于短波信号实现非合作探测的可行性。随后在全国各地开展了基于HF频段多照射源的被动雷达目标探测实验，取得良好的实验成果。结果表明，高频被动雷达集成了传统高频雷达和被动雷达的多种优点，可实现远程目标预警，具有广阔的应用前景。

3 基于外辐射信号的高频探测工作原理

3.1 工作原理

基于外辐射信号的高频探测系统由外辐射信号发射站和接收站组成，在接收站通过数字波束形成技术得到接收波束和参考波束。与基于甚高频外辐射源的探测系统不同，参考波束和接收波束都是经由电离层反射传播至接收站。探测原理示意图如图1所示。

图1：系统探测原理示意图

信号处理的流程是：对接收机数据形成方向图，找到参考直达波的方向，在直达波方向形成波束作为参考波束，对参考波束进行时域波形、频谱信息和模糊函数等分析；然后对接收机数据在需要的角度范围内进行波束形成、脉冲压缩和相干积累得到距离多普勒谱图。谱图上进行目标检测的流程则与主动探测系统基本相同。

3.2 试验平台

为评估某高频探测系统应用外辐射源探测体制的可行性，首先需建立可控的试验平台，对各类民用短波广播信号波形和雷达波形进行探测效能评估。尽管目前可能尚不存在此类波形，但不排除使用此类波形进行外辐射探测的可能性。

通过研制一套信号波形产生器，产生各类所需的基带波形，包括调频、调幅、调相、FSK等常见外辐射源信号。研制一套激励器设备，实现不同波形信号的调制和控制，可将信号波形调制至指定的工作频率上，并送至发射机。结合某高频探测系统构成一套基于外辐射源的高频探测试验平台，平台组成框图如图2所示。

图2：试验平台组成框图

试验平台的发射站点和接收站点相距较近，因此探测原理与图1有所区别。参考波束和接收波束均是由电离层两次反射进入到接收机而形成的，探测原理如图3所示。处理方法与外辐射源探测的方法一致，因此不影响对波形的探测效能评估结果。

图3：试验平台探测原理示意图

4 试验波形分析

试验采用的信号波形包括调幅信号、调频信号、频移键控信号、噪声调频_高斯（NFM_gauss）、噪声调频_矩形（NFM_square）、正交频分复用信号_m序列（OFDM_m）和正交频分复用信号_r序列（OFDM_r）。以调幅（AM）信号为例进行介绍。

4.1 时域波形、频谱和模糊函数

信号的时间函数描述了信号的时域特性，信号的频谱描述了信号的频域特性，而模糊函数描述了信号的时频域联合特性。信号s(t)的雷达模糊函数定义为其二维互相关函数的模的平方：

信号样本采样频率：25000 Hz，采样点数：M。从图4可以看出峰值处的多普勒频率为0Hz，峰值处的延时为0s。

图4：AM信号时域波形、频谱和模糊函数

4.2 脉冲压缩

为了方便计算，将其转换为频域表达，其中k=0,1，……N-1。

再进行IFFT：

即可得到最终脉冲压缩结果。

从图5可以看出，调幅信号的距离旁瓣太高，脉冲压缩之后目标点湮没于结果中，无法识别。

图5：某角度脉冲压缩结果图

4.3 相干积累

同样通过脉冲压缩，以及将不同位置的目标信息给分离出来。而通过相干积累，可以进一步的提取不同目标的多普勒频移，进而算出目标的速度信息。

图6为某方向角的相干积累结果。

图6：某方向角的相干积累图

5 试验结果

为验证多种波形的探测效能，在试验过程中间隔发送LFM波形，以LFM波形的探测谱图作为对比对多波形的探

测性能进行评估。不同波形的典型频谱对比如图7-图13。经过波形分析和试验，结果表明：

图7：AM信号的距离多普勒图

图8：FM信号的距离多普勒图

图9：FSK信号的距离多普勒图

图10：NFM_gauss信号的距离多普勒图

图11：NFM_square信号的距离多普勒图

图12：OFDM_m信号的距离多普勒图

图13：OFDM_r信号的距离多普勒图

（1）AM和FSK波形信号的距离旁瓣高，不适合用于探测目标；

（2）FM和NFM波形信号可探测到目标，但仍存在距离旁瓣较高的问题。

（3）OFDM波形信号适用于目标探测，分辨率明显改善，对杂波展宽和电源杂散有一定抑制作用，但也面临多普勒敏感和距离旁瓣抑制等问题。

6 结束语

高频探测系统具有超越视距的远程目标探测能力，但因其采用固定式配置，无法实现机动部署，在战争中生存能力不足。逐渐发展成熟的基于外辐射源探测技术为高频探测系统提供了另一种发展思路。本文阐述了基于外辐射信号的高频探测工作原理，完成了基于多种波形的外辐射体制探测试验。根据试验结果，对不同波形的探测效能进行了评估。尽管这些试验波形在环境中可能并不存在，但不排除后续能够使用此类波形进行探测的可能性，该试验为探测系统选择外辐射源波形提供了有力依据。